[논문]유동성형의 성형력에 미치는 가공깊이와 이송속도의 영향

남경오; 염성호; 강신준; 홍성인

유동성형의 성형력에 미치는 가공깊이와 이송속도의 영향
The Effects of Forming Depth and Feed Rate on Forming Force of Flow Forming 원문보기

남경오 (충남대학교 기계공학과 대학원) , 염성호 (충남대학교 기계공학과 대학원) , 강신준 (주식회사 진합) , 홍성인 (충남대학교 기계공학과)

The flow forming has been used to produce long thin walled tube parts, with reduced forming load and enhanced mechanical and surface quality for a good finished part compared with other method formed parts. So flow forming technique is used widely in industrial production. Especially spinning and flow farming techniques an used frequently in automotive, aerial, defense industry. In this paper, FEM analysis of three-roller backward flow forming of a workpiece is carried out to study effects of forming depth and feed rate on forming force. The axial and radial forces on several forming depth and feed rate conditions are obtained. The phenomena such as bell mouth, build up and bulging during simulation are observed as well.

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문제 정의

본 연구에서는 후방(backward) 유동성형에 대한 3D 유한요소해석을 통해 성형하중에 미치는 가공 깊이와 이송속도의 영향을 살펴보았다. 또한 유동성 형 에서 의 build up, bulging 그리고 bell mouth 등에 대한 가공깊이와 이송속도에 대한 영향도 살펴보 았다. 본 연구를 위해 상용 유한요소 프로그램인 DEFORM 을 사용하여 후방 유동성형에 대한 3D 유한요소해 석을 수행하였다.
본 연구에서는 후방(backward) 유동성형에 대한 3D 유한요소해석을 통해 성형하중에 미치는 가공 깊이와 이송속도의 영향을 살펴보았다. 또한 유동성 형 에서 의 build up, bulging 그리고 bell mouth 등에 대한 가공깊이와 이송속도에 대한 영향도 살펴보 았다.

가설 설정

2를 적용하였다. 롤러와 맨드릴은 강체(rigid body)로 가정하였고, 재료는 Al 5052의 냉간 물성치를 적용하였다. 롤러의 주축에 대한 회전속도는 60 RPM을 적용하였다.
본 연구에서는 열과 롤러의 팁 형상이 성형력에 미치는 영향은 고려하지 않았다. 앞으로 이 부분에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

제안 방법

맨드 릴과 재료 그리고 3개의 롤러가 120도 간격으로 위치한다. 가공깊이에 따라 롤러의 위치를 변경한 3가지 형상이 모델링 되었다. 재료와 롤러의 치수는 Table 1과 같다.
가공깊이에 따른 성형력 비교를 위해 동일한 이송속도 조건에서 20, 30, 40%의 가공깊이에 대한 후방 유동성형 해석을 수행하여 주축과 반경방향 에 대한 롤러의 성형력을 비교하였다. Fig.
본 연구를 위한 해석조건은 Table 2와 같다. 모든 해석은 재료의 유동방향과 롤러의 진행방향이 서로 반대인 후방 유동성형 방식을 적용하였다. 실제 유동성형은 회전하는 맨드릴에 재료가 고정되어 같이 회전하면서 이동하지만 일반적인 해석에서는 편의상 재료가 고정되고 롤러는 주축을 중심으로 회전하며 이동하게 된다.
또한 유동성 형 에서 의 build up, bulging 그리고 bell mouth 등에 대한 가공깊이와 이송속도에 대한 영향도 살펴보 았다. 본 연구를 위해 상용 유한요소 프로그램인 DEFORM 을 사용하여 후방 유동성형에 대한 3D 유한요소해 석을 수행하였다.
유동성형의 성형력에 미치는 가공깊이와 이송 속도의 영향을 알아보기 위한 3D 후방 유동성형 유한요소해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이송속도에 따른 성형력 비교를 위해 동일한 가공깊이 조건에서 0.5, 1.0, 1.2, 1.5 mm/rev 의 이송 속도에 대한 해석을 수행하였고, Fig. 3은 이송속 도에 따른 주축 및 반경방향 성형력을 보여주고 있다. 이 그림에서 동일한 가공깊이에 따라 주축방향 성형력은 이송속도가 증가함에 증가하였다.
본 해석에서도 이와 같은 방식을 적용하였다. 재료와 맨드릴 사이의 마찰계수는 일반적으로 0.1-0.3 을 많이 사용하고 있으며 본 해석에서는 쿨롬 마찰계수 0.2를 적용하였다. 롤러와 맨드릴은 강체(rigid body)로 가정하였고, 재료는 Al 5052의 냉간 물성치를 적용하였다.

성능/효과

(1) 3개의 롤러를 가진 후방 유동성형 유한요소해석을 통해 주축 및 반경방향의 성형력을 정량화 할 수 있었다.
(2) 주축방향의 성형력은 가공깊이와 이송속도 가 증가함에 따라 비례적으로 증가하는 경향을 보였으나 반경방향의 성형력은 가공깊이와 이송속도의 변화에도 큰 차이를 보이지 않았다.
(3) 후방 유동성형 해석을 통해 튜브의 두께감 소를 확인할 수 있었으며 특히 유동성형에서 보여지는 bell mouth, build up 그리고 bulging 현상을 확인할 수 있었다.
(4) 후방유동성형에서 bell mouth는 가공속도보다는 가공깊이에 더 큰 영향을 받고 있었으며 build up 은 가공깊이와 이송속도에 비례하였으며 bulging 의 경우 가공깊이에는 크게 영향을 받지 않음을 확인할 수 있었다.
특히 bell mouth 은 이송속도보다는 가공깊이의 변화에 더 큰 영향을 받고 있었으며 가공깊이가 깊 어짐에 따라 증가하는 경향을 보였다. build up 과 bulging 은 이송속도가 증가함에 따라 그 양이 증가하는 경향을 보였으며 build up 은 가공깊이가 깊어짐에 따라 그 양이 증가하였으나 bulging 은 가공깊이에 크게 영향을 받지 않았다.
4는 후방 유동성형에서 나타나는 재료의 bell mouth, build up, bulging 형상을 보여주고 있다. 특히 bell mouth 은 이송속도보다는 가공깊이의 변화에 더 큰 영향을 받고 있었으며 가공깊이가 깊 어짐에 따라 증가하는 경향을 보였다. build up 과 bulging 은 이송속도가 증가함에 따라 그 양이 증가하는 경향을 보였으며 build up 은 가공깊이가 깊어짐에 따라 그 양이 증가하였으나 bulging 은 가공깊이에 크게 영향을 받지 않았다.

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